研究：一種新型磁性半導體，為反常霍爾效應提供了新視角

近日，東京理工大學材料科學家進行的一項研究表明，在沒有大規模磁排序的情況下，新型磁性半導體中存在大規模的異常霍爾電阻，這也驗證了最近的理論預測。他們的發現為反常霍爾效應提供了新的見解，這是一種以前與長程磁序相關的量子現象。

帶電粒子（如電子）在電場和磁場的影響下移動時，可以表現出相互影響的方式。例如，當磁場垂直于載流導體的平面時，內部流動的電子由于磁力而開始側向偏離。很快，導體兩端就會出現電壓差，這種現象被稱為“霍爾效應”。

然而，霍爾效應并不一定需要擺弄磁鐵。事實上，它可以在具有長程磁性有序的磁性材料中直接觀察到，例如鐵磁體。這種現象被稱為“反常霍爾效應”（AHE），似乎是霍爾效應的近親。但是，它的機制更復雜。目前，最被接受的說法是，AHE 是由電子能帶的一種被稱為“貝里曲率”的特性產生的。

磁性排序對AHE來說是必要的嗎？最近的一個理論表明并非如此。出于好奇，內田博士和他在日本的合作者決定對這一理論進行測試。

他們研究了一種新的磁性半導體EuAs的磁特性，該材料僅具有一個奇特的扭曲三角形晶格結構，并觀察到23K以下的反鐵磁（AFM）行為（相鄰的電子自旋排列在相反的方向）。此外，他們觀察到，在有外部磁場的情況下，該材料的電阻隨溫度急劇下降，這種行為被稱為"巨大的磁電阻"（CMR）。然而，更有趣的是，CMR甚至在23K以上也被觀察到，在那里AFM的秩序消失了。

更加令人驚訝的發現就是霍爾電阻率隨溫度升高，在70K時達到頂峰，遠遠高于AFM排序溫度，這表明在沒有磁性排序的情況下，大型AHE也是可能的。為了了解這種現象的產生原因，研究小組進行了模型計算。結果顯示，這種效應可以歸因于三角晶格上的自旋簇對電子的傾斜散射，在這種“跳躍制度”下，電子不流動，而是在原子之間“跳躍”。

研究人員表示，這些結果使我們能更加了解磁性固體內部電子的奇怪行為。新發現有助于闡明三角晶格磁性半導體，并有可能打開一個新的研究領域。

該研究論文題為“Above-ordering-temperature large anomalous Hall effect in a triangular-lattice magnetic semiconductor”，已發表在 Science Advances期刊上。

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論文原文：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abl5381

標簽： 磁性半導體 反常霍爾效應